机械工程论文

摘要：本文对机构学在现代工业中的重要性作了简要说明，并指出了计算机技术对现代机构学发展和研究的重要作用，论述了现代机构学在机器人机构中的应用。

关键词：机构学；计算机技术；机器人；

1、机构学研究的重要性

在人类文明和社会发展的过程中， 制造业始终是创造社会财富的主要来源， 是衡量国家综合国力的重要指标。当今世界经济全球化， 各国的综合国力和竞争能力体现于机械产品的设计能力。因为制造业的灵魂是设计， 而制造和被制造机械的灵魂是机构， 所以现代机构学的理论研究是制造业的基础，是现代机械产品发明创造的源泉， 是提高国家制造业水平和国际竞争能力的关键。 机构学是研究机构与机器的分析和综合的理论，因此它对于机械产品创新设计和高新技术在机械产品中应用显得十分重要。不少工业发达的国家由于十分重视机构学的研究和应用，使机械产品更新换代很快，产品品种繁多，取得了较强的市场竞争力，中国进入WTO后更应重视和加强现代机构学的研究和应用，以增强自身科技实力和综合国力。

现代机械的主要特征是计算机协调和控制，“现代机械”概念的形成是机构学发展的一个新的里程碑，使传统的机构学逐步发展成现代机构学。机构学现代化还体现在机构概念的广义化和可控机构的迅速发展。机构概念的广义化是把弹性构件、挠性构件引进机构并把驱动元件与机构系统集成和融合构成与传统机构有别的新机构。可控机构的发展和应用大大开阔了机构学研究范围，使现代机械有更广阔的发展和应用前景。

2、计算机技术与现代机构学

计算机技术的迅速发展为机械行业的设计制造领域带来革命性的变化， 同时随计算机性能的提高和多体系统动力学理论等的发展对机构学的发展也带来了新的挑战。也可以说，这是由于计算机技术的发展和进步带动了机构学的进步，使得机构学发展为现代机构学。目前，计算机在机构的结构分析与设计、机构的运动与动力分析、机构精确分析及机构控制等方面得到越来越广泛的应用。

传统的机构设计是依靠设计者的经验和灵感实现的， 这样很容易错过和遗漏效果最优的机构。因此， 随着对机构拓扑结构认识的深入和图论等在机构学中的应用， 机构的结构分析成为机构学中新兴的一个领域。与机构的运动学和动力学分析不同， 机构的拓扑结构分析研究的是机构内在的结构特征而忽略其他一些如尺度、材料等外在因素， 对于系统高效地发明和设计新机构具有重要的意义。

古典机构学分析的方法主要是图解法， 图解法虽然求解简单， 但是精度较低， 而且对于复杂机构尤其是空间机构图解法往往失去功效。随着计算机的出现及其性能的飞速提高， 各种解析法逐渐代替图解法成为准确分析机构的重要手段。

随机构学的不断发展， 控制逐渐被引入到机构学领域中。加有控制的机构能够灵活的实现预定的要求， 而无需对机构进行改动， 具有很好的柔性和可调节性， 是机构学中的新兴的方向。最近国内外有很多学者对此进行研究。一些软件适应这种要求也提供了机构学分析与控制方案的接口（ 如机构分析软件DADS就提供了它与控制软件MATLAB、MATRIX 等的接口），使人们能方便地对含控制环节的机构进行设计和分析。机构学与控制的结合为实现复杂常变的运动规律提供了可能， 这一领域的研究预计将会有很广阔的前途。

3、现代机构学在机器人机构中的应用

机器人机构学在于研究机器人的构成、运动传递方法以及机器人关节运动与手爪抓取物体运动之间的关系。此外， 还包括手爪机构和移动机器人的机构研究。

以机器人机构为背景的现代机构创新设计包括拓扑结构创新设计（发明新机构）、运动学创新设计和动力学创新设计3个层次。众所周知，机构运动学基本方程（位置、速度和加速度方程）一般是数值类非线性代数方程，揭示了机构的尺度参数、运动输入和运动输出三者之间的显式映射关系。下图为基于螺旋理论方法的结构综合过程。

机器人机构的结构综合可得到多种结构类型。为优选结构类型，就须要提出结构类型的运动学和动力学性能评价指标以及优选结构类型的评价准则，这就要求揭示机构结构类型与其运动学和动力学性能之间的内在联系。这是机构拓扑结构创新设计有待解决的关键问题之一，也是国际机构学界研究的热点和难点之一。因此，结构类型的优化设计是机构拓扑结构学的重要发展方向之一。 基于不同力学原理（如Newton-Euler方程、Lagrange 方程以及运动合成原理等）导出的运动学与动力学方程本质上相同。但不同的结构组成原理，对构建

机构运动学和动力学方程有重要影响。对平面机构结构组成的不同认识，形成运动学和动力学不同建模方法。

（1） 基于Assur组为单元的结构组成原理，前苏联（俄国）学派提出了相应的运动学和动力学理论与方法。Assur 组是能够独立进行运动学和动力学分析的最小单元，对机构运动学和动力学理论的发展有重大影响。

（2） 基于杆、副为单元的结构组成原理，德国学派提出了相应的机构运动学和动力学理论与方法。

（3） 基于回路（树与连支）为单元的结构组成原理，美国学派提出了相应的运动学和动力学理论与方法，并与现代计算技术结合，对机构运动学和动力学理论的发展有重大影响。

（4） 基于单开链为单元的结构组成原理，我国学者提出了相应的运动学和动力学的系统理论与方法，也许会对现代机构运动学和动力学的发展有重要影响。 对平面机构，基于不同结构组成原理导出的运动学方程的形式相同。但应注意到：虽然基于不同结构单元的运动学方程形式相同，但方程的结构、生成、求解与维数完全不同[21]。例如，基于杆、副单元的方程维数为 e = 6ν- 2mf （ mf 为机架的运动副数）。基于回路单元的方程维数为e = 2ν。基于SOC 单元的方程维数为e =κ≤ν，一般地，4 回路以下的平面KBKC 的e =κ= 0， 1 （κ=0 表明各回路运动分析无须联立求解）。相应地，对平面机构，基于不同结构组成原理的动力学方程的形式相同。

图论对机构结构分析与综合的发展有重要意义。诸如，揭示机构新的拓扑结构特征，计算机辅助机构结构分析与综合等。反之，可以将新提出的机构结构组成原理及其揭示的拓扑结构特征（如单开链单元及其有序性、单开链约束度、单回路机构运动学方程的秩、运动链耦合度和机构自由度，及其算法等）进一步抽象为数学问题（如通路单元及其有序性、通路的约束度、回路的秩、图的耦合度与图的自由度，以及相应算法等），对其他学科发展也许会有参考价值。

总之，基于以有序单开链为单元的结构组成原理，有利于机构拓扑结构学、运动学和动力学的统一建模，为机器人机构创新设计提供了三者密切相关的系统理论和有效方法。

参考文献：

[1] 常宗瑜，张策，宰守宾，张新华. 计算机辅助分析技术在机构学中的应用. 机械设计，2000.12

[2] 高峰. 机构学研究现状与发展趋势的思考. 机械工程学报，2005.08 [3] 邹慧君，田永利，郭为忠. 现代机构学的形成、基本内容和应用前景. 机械设计与研究，2002.4

[4] 杨廷力，刘安心，罗玉峰，杭鲁滨，沈惠平，石志新. 机器人机构结构综合方法的基本思想、特点及其发展趋势. 机 械 工 程 学 报，2010.5